纬编单导凉感双面轻薄织物结构设计与性能_姚懿宸.pdf

设计理论与方法丝绸JOUNAL OF SILK纬编单导凉感双面轻薄织物结构设计与性能Structural design and performance of weft-knitted unidirectional anddouble-sided fabrics with cooling sensation and light weight姚懿宸1，董智佳1，姚馨馨2，葛美彤1(1 江南大学 针织技术教育部工程研究中心，江苏 无锡 214122;2 无锡恒诺纺织科技有限公司，江苏 无锡 214105)摘要:为改善常规凉感纤维吸水性差，无法有效吸收并排出汗液而造成皮肤黏附贴身的不适感，文章选用凉感聚乙烯纤维和改性涤纶，结合纬编双面组织结构，通过面料内外层的湿润梯度，达到织物单向导湿的效果，使亲肤面保持干爽，提高其接触凉感。文章设计 5 种组织结构，调整纤维原料、纱线配置等，开发系列纬编单导凉感双面多针道轻薄织物，并测试其相关性能，通过客观赋权法进行综合评价。结果表明:PE/PP 皮芯结构复合纤维编织亲肤面的接触凉感较为优异，且当亲肤一侧形成凹凸状的单侧网眼时，可以有效减少面料与皮肤的贴附面积，显著提高单向导湿和接触凉感，同时满足织物轻薄的需求。关键词:纬编双面结构;凹凸效应;单向导湿;接触凉感;聚乙烯;速干性;轻薄中图分类号:TS1844文献标志码:A文章编号:10017003(2023)02011508引用页码:021201DOI:10 3969/j issn1001-7003202302013收稿日期:20220523;修回日期:20221219基金项目:国家自然科学基金项目(61902150)作者简介:姚懿宸(2000)，女，硕士研究生，研究方向为纬编织物结构与功能设计。通信作者:董智佳，副教授，dongzj0921163 com。为积极应对全球温室效应加剧的气候变化，中国纺联在2021 国际创新峰会上提出要推动“中国时尚品牌气候创新碳中和加速计划”，为了减少制冷设备的使用，实现低碳的衣着生活，凉感面料成为当下节能着装开发的热点1-2。凉感纤维通常具有较高的导热系数，能将人体产生的热量快速导出到外界环境。但常规凉感纤维吸湿性差，难以将人体表面的汗液排出，使人体与织物间产生黏着感3-4。纬编双层织物结构通过形成织物内外层湿润梯度，将汗液单向地从亲肤一侧传导至织物外层，使其在织物外层迅速蒸发，且导出的汗液不会回渗到面料内层，以维持面料与人体皮肤之间微环境的湿热平衡5，可以改善织物的导湿透气性。目前市面上的单面运动面料普遍遮蔽性较差，单向导湿性能有限，难以织造较大的花型;而常规双面运动面料的平方米质量在 170 210 g/m2，且结构较为简单，难以满足夏季运动时人们对于面料轻薄干爽的需求。本文旨在开发系列具有单向导湿功能的轻薄凉感织物，根据单向导湿技术的原理，选用具有凉感性能的聚乙烯(PE)及其复合纤维编织亲肤面，涤纶编织织物使用正面，通过组织结构设计使面料有凹凸状的单侧网眼结构，减少面料与皮肤的贴附。最后测试获得样品的导湿透湿、接触凉感等性能，并分析评价不同纤维材料和组织结构对织物综合性能的影响。1织物开发目前开发夏季运动面料采用的纱线常规线密度为8 33 tex，由于双面结构难以做到十分轻薄，本文全部采用5.56 tex 的纱线，以减小织物厚度，并通过合理配置亲疏水纱线达到单向导湿的性能，设计组织结构形成单侧网眼，实现面料的凹凸效应。1 1原料选择目前利用结构设计法实现织物的单向导湿功能主要是依靠纤维原料亲疏水性能的差异6。聚乙烯(PE)纤维属于本征型导热纤维，其高结晶度和取向度能使热量延纤维轴向快速传递，且具有较高的人体红外透过率和持续的热传导能力，稳态接触凉感有一定的优越性7-8;聚乙烯/聚丙烯(PE/PP)皮芯结构复合纤维的皮层组织为高密度聚乙烯，熔点低且柔软性好;芯层组织为聚丙烯，熔点高、强度高9，有良好的导热能力和芯吸能力。低温阳离子涤纶是涤纶纤维经阳离子改性，加入亲水性基团，降低结晶度，使其吸湿回潮率远高于普通涤纶;通过超细化纺丝技术制得的超细合成纤维涤纶线密度远细于普通涤纶纱线，其比表面积大，纤维之间的缝隙较大，形成更密集的511Vol 60No2Structural design and performance of weft-knitted unidirectional and double-sided fabrics with cooling sensation and light weight毛细孔洞，使纤维的吸湿性和毛细芯吸能力得到极大提高，且纤维束内纤维根数增多，利于吸收和保留更多水分，改善了涤纶的亲水性10。因此，选择 PE 纤维和 PE/PP 复合纤维编织内层疏水面;选择两种改性涤纶纱线编织外层亲水面。纱线具体规格参数如表 1 所示。表 1纱线规格Tab1Yarn specifications原料(编号)规格生产厂家PE/PP 复合纱线(A1)5 56 tex/24 F凯泰特种纤维科技有限公司PE 纱线(A2)5 56 tex/24 F联润翔(青岛)纺织科技有限公司低温阳离子涤纶(B1)5 56 tex/36 F江苏盛虹科贸有限公司超细纤维涤纶(B2)556 tex/216 F联润翔(青岛)纺织科技有限公司1 2工艺方案采用工艺 1 和工艺 2 搭配低温阳离子涤纶纱线和 PE/PP复合纱线制备样品 1 和样品 2，采用工艺 3、4、5 搭配超细纤维涤纶纱线和PE纱线制备样品3、4、5。其中，工艺1采用涤纶在针盘编织工艺反面和连接层，工艺 2、3、4、5 都采用凉感纤维在针盘编织工艺反面并编织连接层。基本工艺参数如表 2所示。表 2基本工艺参数Tab 2Basic process parameters编号原料百分比/%花宽/纵行花高/横列工艺 1A1B1(4470 5530)624工艺 2A1B1(3280 6720)616工艺 3A2B2(4557 5443)624工艺 4A2B2(3902 6098)424工艺 5A2B2(4526 5474)412工艺 1 的花型通过连接处的编织将线圈固定，跨越横列的线圈将网眼两侧收缩拉紧，使网眼呈现梨形，且呈单面，形成工艺正面，即亲肤面的凹凸结构。工艺 3 与工艺 1 选针形成的网眼结构类似，但由于采用上针隔行全成圈的组织结构，两面均较为平滑。工艺 2、4、5 采用集圈编织连接层，形成涤纶面的单侧网眼。绘制结构意匠图，如图 1 所示;并结合互联网针织 CAD 系统 IKDS 绘制线圈结构模拟图和侧视图，如图2 所示。图 1意匠图Fig1Pattern grid图 2线圈结构模拟图和侧视图Fig 2Coil structure simulation diagram and lateral view1 3后整理1 3 1染色聚乙烯吸湿染色性较差，染色时在涤纶编织面上色。该系列面料为吸湿排汗功能性面料，采用 ICC 吸湿排汗整理剂(鲁道夫化工有限公司)，增强织物涤纶面的亲水性和吸湿性。该整理剂适合超细纤维织物的功能整理，赋予织物柔软、凉爽手感。1 3 2定型由于聚乙烯材质不耐高温，热定型温度不能超过 115。经整理定型后，量得成品基本规格如表 3 所示。611第 60 卷第 2 期纬编单导凉感双面轻薄织物结构设计与性能表 3成品基本规格参数Tab3Basic specifications of finished products编号平方米质量/(gm2)厚度/mm样品 11250480样品 21400 525样品 31000 441样品 41090 473样品 511605002测试设计2 1导湿透湿性能测试2 1 1单向导湿性及速干性1)芯吸高度。根据 FZ/T 010712008纺织品 毛细效应试验方法 测试织物的芯吸高度，分别测量经纬向数据各 3组求平均值，作为评价其吸湿性能的指标。2)液态水分管理。根据标准 GB/T 21655 22009纺织品吸湿的评定 第 2 部分:动态水分传递法 中的相关指标，选用 MMT 液态水分管理测试仪，测试 5 组数据求平均值。3)滴水扩散面积。用滴管吸 2 mL 的有色溶液，在距离织物亲肤面 2 cm 的高度连续滴 5 滴，静待 40 s，拍摄其扩散形态，并利用 Imagej 软件计算其不规则面积。2 1 2透湿性衡量服装舒适性的一个重要指标就是纺织面料的透湿性能，按照 GB/T 127041991织物透湿量测定方法 透湿杯法，选用 YG601H-织物透湿仪进行测试，测试 3 组数据求平均值。WVT=24 (m1 m2)S t(1)式中:WVT 为每平方米每 24 h 的透湿量;m1为第一次称量试验组合体质量;m2为第二次称量试验组合体质量;S 为试样试验面积;t 为试验时间。2 2透气性测试夏季服装要求面料有良好的透气性。依据 GB/T 54531997 纺织品织物透气性的测定，选用 YG461E-全自动透气量仪(宁波纺织仪器厂)，在样布不同部位测试 10 次，求平均值。2 3接触凉感性测试根据 GB/T 352632017 纺织品 接触瞬间凉感性能的检测和评价，Q-Max 值0 15 W/cm2，可视为接触瞬间凉感性能面料。采用平板式织物保温仪法来测量织物的导热系数以表征织物的接触凉感11。选用 YG606D 型平板式织物保温仪(宁波纺织仪器厂)，测得保温率、导热系数、克罗值，并计算 Q-Max 值以表征织物接触凉感。3结果与分析3 1基本参数由图 3 可见，厚度和平方米质量成基本呈正相关。选用纱线相同时，工艺 2、4、5 采用集圈结构编织连接层，支撑性更强，得到的样品厚度较大。工艺 1、3 的结构连接点更密集，织物亲水层和疏水层连接更紧密，因而其样品厚度较小。图 3厚度与平方米质量之间的关系Fig 3elation between thickness and weight in grams3 2导湿透湿性能3 2 1单向导湿性及速干性1)芯吸高度。经测试得到经纬向芯吸高度，如图 4 所示。织物经向的芯吸高度均优于纬向芯吸高度，是由于织物纵向的毛细孔隙贯通性比横向好，毛细效应更明显12。样品1 和样品 2 的毛细芯吸能力主要由 PE/PP 皮芯结构复合纤维提供，样品 3、4、5 的毛细芯吸能力主要由超细纤维涤纶提供。样品 2 的芯吸高度优于样品 1，由于样品 2 连接层采用皮芯结构纤维，有利于水分的传导，织物芯吸高度更高。比较后三种工艺，连接层均采用 PE 纤维，而样品 3 由于厚度较小，其芯吸效果显著降低。图 4经纬向芯吸高度Fig4Latitude and longitude core suction height2)液态水分管理评价。MMT 液态水分管理测试仪测试得到内外层含水量/时间变化曲线和液态水分管理相关指数，如图 5、图 6 所示。711Vol 60No2Structural design and performance of weft-knitted unidirectional and double-sided fabrics with cooling sensation and light weight图 5内外层含水量/时间变化曲线Fig 5Water content/time curve of inner and outer layers图 6液态水分管理相关指数Fig6Indexes related to liquid water managementPP 纤维的回潮率小于 0 03%，几乎不吸湿，而 PE 纤维的回 潮率在0 1%0 2%，略高于PP纤维，所以由PE/PP复合的纤维吸湿性略高于纯 PE 纤维。当液体滴在测试面时，由于 PE 纤维的疏水性，水分在纤维间扩散，经连接层纱线的毛细效应传导到亲水层。样品 1和样品 2 亲水层含水量始终高于疏水层，且差异明显，水分传导快速有效。样品 3 持续导湿效果欠缺，由于厚度小，且单侧网眼处显露亲水性纱线，使得单向导湿指数呈负值。3)速干性。最大浸湿半径和液态水扩散速度是表征织物速干性的重要指标。由表 4 和图 7 可见，对比样品 1 和样品 2，PE/PP 复合纤维编织连接层时，毛细效应好，导水速率快，液体还未在疏水层扩散即传导到亲水层被其吸收。因此，样品的疏水层最大润湿半径小于样品1，速干性能较好;对于后三种工艺，样品4 的网眼间有涤纶浮线显露，导水速率相对较快。表 4速干性相关表征指标Tab 4Characterization indexes related to rapid drying编号吸水速率/(%s1)亲水层疏水层润湿时间/s亲水层疏水层液体扩散速/(mms1)亲水层疏水层最大润湿半径/mm亲水层疏水层滴水扩散面积/mm2样品 1656774014 611 73597890300030 0023 60样品 2638876873 08242538613260025 0020 35样品 3737067032 461 71666891300030 0028 07样品 4686165302 65178548809280030 0025 30样品 5751460352 801 89573760300030 0025 54图 7亲肤面滴水扩散形态Fig 7Droplet diffusion pattern of skin-friendly surface811第 60 卷第 2 期纬编单导凉感双面轻薄织物结构设计与性能3 2 2透湿性影响织物透湿性的主要因素是水气通过织物的传递途径，包括水气从面料孔隙扩散，以及通过纤维的亲水性和毛细效应使水分扩散到水气压较低的一侧扩散或蒸发13。试验所得数据如图8 所示，再根据表4 测得数据，样品1、2 亲水纤维的吸水速率低于样品 3、4、5，但由于样品 1 在亲肤面形成了较大的单侧网眼，利于水气向亲水面透过，而样品 2、3、4、5 形成的网眼均在涤纶面，水气无法直接接触亲水层，透湿性能明显低于样品1。对于采用相同纱线的后三种样品，样品 4 前后层采用集圈连接，且连接点较少，不利于水气扩散，透湿量较低。图 8透湿量Fig8Moisture transmission3 3透气性影响织物透气性的因素主要是织物组织结构的紧密程度及孔隙大小和分布。试验得到的数据如图 9 所示，根据组织设计，样品 1 的网眼较样品 2 大，则其获得的透气率更加优异。相较于样品 1 和样品 2，样品 3 前后层连接较为紧密，其厚度和平方米质量更小，减少了气流透过的路径，利于织物透气。样品 4 和样品 5 添加浮线或集圈组织，结构疏松，且网眼花型相对小而密集，透气性较好。图 9透气率Fig 9Ventilation rate3 4接触凉感性能织物的热传递性能是反映织物导热、隔热等性能的重要基础。纤维性质、织物结构、厚度等均会对其热传递性质产生影响14。导热系数越大，越有利于将皮肤产生的热量传导到外界，带给人体接触凉感。测试结果如表 5 所示，根据试验测量所得数据及 Q-Max 与导热系数的转化关系(式(2)得到图10。Q-Max=T(2)式中:Q-Max 为织物瞬间凉感热流量，W/cm2;为导热系数，W/(m2);T 为温度，。表 5热传递性能测试结果Tab5Heat transfer performance test results编号保温率/%导热系数/(Wm21)克罗值/CLO样品 1128863 420 10样品 2140646 950 14样品 3164239 110 16样品 4265325 970 25样品 5237524 670 26图 10Q-Max 值Fig 10Q-Max value样品 1、样品 2 和样品 3 的 Q-Max 值达到了 GB/T352632017 认定的接触凉感性能基本要求，采用 PE/PP 皮芯结构复合纱线的凉感性能较为显著，其中样品 1 的接触凉感性能最优。对于样品 3、4、5，由于样品 3 的平方米质量和厚度均较小，其导热性能更优良，接触凉感较好。3 5综合评价通常情况下织物越厚，连接层支撑能力越强，导湿能力越好，亲肤面越干爽，单向导湿效果越佳。而本文开发系列织物拟应用于夏季运动服装，轻薄的材质更加柔软贴肤，能减轻人体负担，提高透气透湿性能。综合考虑以上因素，再对其进行综合评价。采用客观赋权的变异系数法，根据实验所测的各项性能数据(表 6)，计算各性能指标的权重15。由于织物要求越轻薄越好，因此将平方米质量和厚度标准化，取其倒数，根据下式计算各性能所占权重。Vi=iXi(i=1，2，n);Wi=Vini=1Vi(3)式中:Vi为第 i 项指标的变异系数，也称标准差系数;i为第 i项指标的标准差;X为第 i 项指标的平均数;Wi为第 i 项指标的权重。911Vol 60No2Structural design and performance of weft-knitted unidirectional and double-sided fabrics with cooling sensation and light weight表 6性能测试数据汇总Tab 6Summary of performance test data编号Q-Max/(Wcm2)单向导湿指数透湿量/(gm2d1)透气率/(mms1)平方米质量倒数/(m2g1)芯吸高度/mm厚度倒数/mm1样品 10 2302242907 373 4701 844 6000008154602080样品 20 1703667504 851 8201 554 7000007165601 900样品 30 140184405 267 5702 735 2000010118302 270样品 40 0901698404 323 8202 157 7000009154702 110样品 50 0901156005 598 1002 476 4000009139002000根据表 7 所得各项性能指标的权重值，计算织物的综合评价指数 Y。其中，各项性能占比排序为:单向导湿性能 接触凉感性能 透气性能 透湿性能 织物平方米质量=芯吸高度 厚度。Y=0 203y1+0 418y2+0 107y3+0 111y4+0 064y5+0 064y6+0 033y7(4)式中:Y 为综合评价指数;yi为标准化后的第 i 项性能指标，其中 y1为 Q-Max，y2为单向导湿指数，y3为透湿量，y4为透气率，y5为平方米质量倒数，y6为芯吸高度，y7为厚度倒数。经计算得到如图 11 所示的综合评价指数。样品综合性能由优至劣排序为:1 5 2 3 4。由于样品 1 采用连续多路的成圈，在亲肤面形成较大的单侧网眼，透湿透气效果得到提升，且呈现凹凸效果，面料的干爽和接触凉感优异;样品 2由于连接层支撑较好，厚度和平方米质量均较大，利于织物单向导湿。样品 3 表面平滑，凹凸效果不明显，因为连接处较多，厚度相对减小，最为轻薄;样品 4、样品 5 通过集圈跨越多个横列同样形成单侧的网眼，但在疏水一侧，且虽然网眼循环较密集，但花型较小，凹凸效果不明显。表 7样品 7 个性能指标权重值Tab 7Weight values of seven performance indexes of the samples性能指标Q-Max/(Wcm2)单向导湿指数透湿量/(gm2d1)透气率/(mms1)平方米质量倒数/(m2g1)芯吸高度/mm厚度倒数/mm1合计总和0 720 0858040 027 414 780 010 768600 00040 073 220 010370 0平均数0 140 0171610 05 482 960 02 153720 00010 014 640 02070 0标准差0 050 0126580 01 036 880 0423470 00000 01 640 00120 0变异系数0 360 00740 00 190 00200 00110 00 110 00060 01765 1权重0 203 00418 00 107 00111 00064 00 064 00033 01000 0图 11综合评价指数Fig 11Comprehensive evaluation index4结论本文设计了一系列凉感聚乙烯纬编双面织物的开发流程，并结合互联网针织 CAD 系统 IKDS 对织物结构进行了模拟，通过改变纱线配置和编织工艺，探究其对织物相关性能的影响，为夏季运动面料的开发提供新的思路。通过对试验结果的分析整理，应用客观赋权的变异系数法对织物主要功能性赋权计算，对其综合性能进行评价，表明纱线种类、纱线配置及织物组织结构等对织物的接触凉感、单向导湿性等热湿舒适性的影响较为显著。1)采用 PE/PP 皮芯结构复合纤维编织亲肤面的织物整体的接触凉感优于采用纯 PE 纱线的织物。2)亲肤面形成较大的单侧网眼时，有明显的凹凸效果，可以减少面料与皮肤的贴附面积，且显著提高其单向导湿、透气和接触凉感性能，同时能满足织物轻薄的需求。3)连接层采用芯吸效果好的异形纤维或超细纤维可以提高织物的芯吸性能，改善织物导湿透湿能力。丝绸 官网下载中国知网下载参考文献:1中国纺联外事办 构建绿色、低碳、可循环纺织经济:中国纺联在国际创新峰会上阐述中国纺织业在应对气候变化中的作用J纺织服装周刊，2021(41):7021第 60 卷第 2 期纬编单导凉感双面轻薄织物结构设计与性能Foreign Affairs Office ofChina National Textile and ApparelCouncilBuildingagreen，low-carbonandrecyclabletextileeconomy:China National Textile and Apparel Council elaborated onthe role of China s textile industry in coping with climate change atthe International Innovation Summit J Textile Apparel Weekly，2021(41):7 2赵晓敏 凉感聚酰胺 6 纤维的制备及性能评价D 上海:东华大学，2016ZHAO XiaominPreparation and PropertyEvaluation ofCoolPolyamide 6 Fiber D Shanghai:Donghua University，2016 3 王雪，李娜娜，徐密，等 导湿凉感织物结构设计与性能测试J 针织工业，2021(1):16-20WANG Xue，LI Nana，XU Mi，et alStructural design andperformance analysis of moisture transfer cool fabricJ KnittingIndustries，2021(1):16-20 4 陶凤仪，乔明伟，王姗姗，等 单向导湿机织物的设计及其性能研究J 丝绸，2021，58(7):110-116TAO Fengyi，QIAO 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中国纤检，2013(8):81-83ZHANG QingshanSome enlightenment from the tests of airpermeability and moisture permeability for fabricsJ China FiberInspection，2013(8):81-83 14 庞方丽，刘星，王瑞 织物热传递性能的影响因素J 轻纺工业与技术，2013，42(2):21-24PANG Fangli，LIU Xing，WANG ui Influencing factors of heattransfer properties of fabricsJ Light and Textile Industry andTechnology，2013，42(2):21-24 15 张鹏芳，王利平 羊毛/羊绒/莫代尔纤维混纺针织物热湿舒适性能综合评价 J 毛纺科技，2020，48(6):81-85ZHANG Pengfang，WANG Liping Comprehensive evaluation ofthermal and moisture comfort performance of wool/cashmere/modalblended knitted fabricJ Wool Textile Journal，2020，48(6):81-85121Vol 60No2Structural design and performance of weft-knitted unidirectional and double-sided fabrics with cooling sensation and light weightStructural design and performance of weft-knitted unidirectional anddouble-sided fabrics with cooling sensation and light weightYAO Yichen1，DONG Zhijia1，YAO Xinxin2，GE Meitong1(1 Engineering esearch Center for Knitting Technology，Ministry of Education，Jiangnan University，Wuxi 214122，China;2 Wuxi Hengnuo Textile Technology Co，Ltd，Wuxi 214105，China)Abstract:With the improvement of people s living standard and the integration of sports and health philosophy indaily life，people have higher and higher requirements on the comfort and function of textiles In summer，people arewilling to wear and contact items with low temperature Cool fabrics can make the skin surface that touches the fabric feelthe temperature difference at the moment of touch，resulting in a cool feeling of contact What s more，the globalgreenhouse effect is increasing year by yearIn order to actively cope with climate change and reduce the use ofrefrigeration equipment，cool fabric has also become a hot spot in the development of energy-saving clothing In addition tothe need for cool feeling，people are more prone to sweat when doing sports in summer The traditional high moisture-absorption fabric can absorb but cannot discharge sweat As a result，the unidirectional water-transfer technology which canimprove the thermal and wet comfort of clothing comes into being This technology can transfer the sweat from the inside ofthe fabric to the outermost layer through the matching of hydrophilic yarns and hydrophobic yarns and the fabric structuredesign，so that it is not easy to penetrate along the original path In this way，the the skin surface can maintain dry Thiscan improve the air permeability and water permeability of fabrics worn in summer，and help the human body dissipate heatquicklyThe purpose of this paper is to develop a series of lightweight and cool fabrics with unidirectional water-transferfunction In order to overcome the discomfort of skin adhesion caused by poor water absorption of conventional cool fibersand the inability to effectively absorb and expel sweat，we selected the cool polyethylene(PE)and its composite fiber withskin-core structure(PE/PP)and modified polyester(including low-temperature cationic polyester and microfiber polyester)according to the principle of unidirectional water-transfer technology The fabric can achieve the effect of unidirectionalwater-transfer performance by combining with the weft-knitted double-sided structure that can form a unilateral meshthrough the wetting gradient formed by the inner and outer layers of the fabric，so that the skin surface stays dry andimproves its cool touch In this paper，five kinds of tissue stru